浅析异型钛材冷轧裂纹的成因及预防措施

(整期优先)网络出版时间:2020-08-17
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浅析异型钛材冷轧裂纹的成因及预防措施

高尚飞

中铝沈阳有色金属加工有限公司 辽宁沈阳 110108

摘要:钛及钛合金制成各类精密异型材,用于眼镜框架材料,钛眼镜框架以纯钛为主流。随着钛加工技术的不断进步,20世纪90年代,钛眼镜框架材料出现了复合钛、钛合金、形状记忆合金和超弹合金等材料。由于眼镜用钛材对材料的尺寸精度及表面质量要求很高,因此,此类钛材称为精密异型钛材。精密异型钛材在加工过程中,经轧制、拉拔,会出现加工硬化现象,因此,需经退火处理后,才能保证下一步的加工。

关键词:异型钛材冷轧裂纹;预防措施;

眼镜用金属材料在性能方面要求具有较高的抗断裂强度,又要有足够的塑性、韧性以及良好的弹性,同时不易被人体汗液侵蚀。因钛材具有比强度高耐腐蚀性能优良、表面美观、与人体亲和性好、使用寿命长等优良的综合性能,目前已经成为主要眼镜架用材之一。钛及钛合金用作眼镜材料是从上世纪80年代开始的,眼镜架材质主要采用纯钛,以后又发展了复合钛、钛形状记忆合金、超弹性钛合金和高强钛合金等新材料。

  1. 异型钛材冷轧工艺

高精度异型钛材的轧制是复杂的大变形弹塑性过程,包含材料、几何及边界接触等多重非线性问题,坯料形状尺寸的选择方形坯料在第一道次轧制成形的结果,方形坯料轧制后其形状不规则,而圆形坯料轧制后形状则相对规则,这是由于方形坯料轧制过程稳定性差,会影响成形结果。对钛材进行退火前的处理,主要是要达到清洁材料表面,改善材料表面质量的目的,但又不能降低材料的性能。钛中氢含量高于0.015%时即变脆,冲击韧性、缺口抗拉强度将下降,而钛材在加工过程中采用的润滑、清洗等工艺,都会导致钛材的大量渗氢,因此,尽量避免钛材的渗氢过程是非常重要的工作。随着孔型侧斜度的增大,轧件的宽展相应增大,二者几乎呈线性关系,显然,孔型侧斜度的变化对轧件宽展会产生一定的影响。由轧制理论可知,高向压下体积和变形区内轧件的纵横阻力比是决定宽展的两个基本因素。当侧斜度增加时,孔型面积相应减小,轧件平均压下量和压下体积依次增大,所对应变形区长度亦增大,导致该处金属质点轧向流动阻力和宽展增大。此外,当侧斜度增加时,孔型中部斜面驱动轧件的水平外移力增大,则金属质点宽向流动阻力相对减小。随着轧辊间距的增加,即压下量的减小,轧件的宽展相应减小,二者几乎呈线性关系,这与孔型侧斜度对轧件宽展的影响几乎相同。随着轧辊间距的减小,即压下量的增加,轧件压下变形增加,孔型面积不断减小,轧件平均压下量增加,由此引发两种结果: 一种是变形区延长,金属轧向流动阻力相应增大; 另一种是金属平均压下体积增加,导致金属沿宽向和轧向的流动趋势加强。它们的综合作用决定了金属沿宽向流动的趋势更强,导致轧件宽展增大。

二、异型钛材冷轧裂纹的成因分析

1.钛材在冷加工过程中,易产生加工硬化,导致塑性降低,强度和变形抗力增加。由于钛材随塑性变形能力较高,屈强比较大,弹性模量又相对较低,所以钛材在冷加工时变形阻力大、回弹较严重,加工成型比较困难。轧制规程如加工道次、压下量及轧辊调节等是影响产品性能的主要因素。若规程制定不合理,易产生折叠或划伤,形成裂纹。因此,如何制定出合理的冷轧制度是提高冷轧钛材质量和避免裂纹产生的关键。加工道次及压下量的制定影响到产品的表面质量和整体性能。加工道次过少、压下量过大,会引起变形不均而产生裂纹甚至断裂,严重恶化钛材表面品质;加工道次过多、压下量过小,又会造成生产效率低,生产工序及生产成本增加。冷轧辊的设计是否合理,会对钛材轧制及裂纹的产生造成影响。轧辊设计原则是尽量减小钛材的变形抗力和轧制力,合理设计孔形,尽可能让金属流动畅通。轧辊设计不合理是造成粘辊、裂纹的重要原因。上下轧辊装配位置不当,也会引起轧件壁厚不均而形成偏心,影响钛材的性能。在冷加工过程中钛材受到轧辊施加的拉应力作用,其表面的微裂纹易引起应力集中,导致微裂纹扩张,最终形成宏观裂纹。

2.钛的粘性大、流动性差,导热性低,在轧制变形过程中,表面极易氧化和吸氢。由于钛材表面摩擦力大、内部变形不均匀性明显、内外温差大等原因,容易在轧件内部产生剪切带,严重时即导致开裂并粘附轧辊。因此。在钛材冷轧过程中,工艺润滑剂起着越来越重要的作用。冷轧时如果轧辊与钛材之间润滑不好,致使轧制变形区内某一点或某一局部的润滑油膜破坏,造成轧辊与钛材干摩擦,从而产生粘辊现象、恶化轧后钛材的表面质量。此外,润滑剂的选择、成分配比、制作施加方法及工艺润滑剂本身的润滑性、冷却性、分散性、减缩能力等综合性能指标均会对冷轧裂纹的产生造成影响。由于钛材对缺口敏感性较大、显微组织的变化对机械性能影响较显著,从而导致热处理的复杂性。通过控制热处理各工艺参数,可以有效改善组织内部的偏析、缩孔、疏松、气孔及微裂纹等铸造、轧制缺陷。如果热处理制度制定不合理,会对轧件的表面质量和内部组织造成很大的影响。因此,设计一个既要保证得到光亮、无裂纹的表面,又要得到内部组织均匀钛产品的最佳热处理制度变得至关重要。

三、预防措施

1.冷轧设备主要采用二联精轧机及自制土耳其轧头。在制定冷轧规程时,应根据产品交货状态、性能要求、金属塑性、最小可轧厚度及轧设备条件等因素确定加工道次和压下量。既要考虑到充分利用钛金属塑性来提高轧机的效率,又要能保证轧制的顺利进行。采用多道次、小压下量的冷轧制度,有利于改善和提高塑性变形能力,获得均匀、细化的晶粒组织,避免轧制过程中发生折叠及皱折、粘辊、应力过分集中等现象,并能提高冷轧钛材的力学性能。坯料要求:组织致密、均匀、无偏析及疏松,表面质量好、平整光洁、无瑕疵(裂痕、裂缝、剥落等)。对线坯初始压下量、中间轧材压下量进行调整,以线材侧边出现微裂纹为限,道次压下量应控制在10%~25%为宜。轧辊调节主要涉及如何选择具有合适孔型的轧辊以及轧辊的装配等内容:为保证产品表面光洁并具金属光泽、无轧制裂纹及满足工艺要求,应根据产品型号、尺寸选择相应的轧辊。装配轧辊时认真用塞尺检查或垫油纸,及时纠正错位,避免型材偏心。

2.根据流体润滑理论,润滑油粘度与它的温度有关。可以通过增加轧制区油膜强度和厚度,降低润滑油温度来提高润滑油粘度,是一种简单而经济的方法。因此,冷轧过程中选用适当的轧制润滑剂,可以有儿改善轧件的表面质量。经过多种润滑剂的对比实验,我们找到了一种较为有效的润滑剂,润滑剂可使钛材表面基本保持金属光泽,而且二硫化钼粉末在冷加工后容易被去除。通过使用这种润滑剂,可以提高轧制速度、减少轧辊损耗,起到冷却和洗涤作用,而且钛槽型丝产品光洁度有了明显提高,达到7级。钛材在轧制孔型中稳定性差,具有螺旋状扭曲的趋势。经冷轧加工后,钛材常出现翘曲等加工硬化现象,需要进行热处理才能进人下一道工序。钛材的热处理工艺包括工序间热处理及最后的成品热处理。我们主要研究退火温度、退火时间、真空或保护气氛等热处理工艺条件,通过热处理对轧材进行均匀化处理,减小轧制过程中的温差,防止或减少冷轧裂纹。罩式退火炉炉台、内胆一定要保持清洁,预防轧件与退火炉交叉污染,上料前需清除钛轧材表面的灰尘及油污。

轧裂纹产生的根本原因是冷轧制度制定不合理。在实际生产中,合理制定轧制道次、压下量,正确调整轧辊能有效防止冷轧裂纹的产生。

参考文献:

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[2]阎承沛.真空热处理工艺与设备设计[M].北京:机械工业出版社,2018.

[3]崔昌军,彭乔.钛及钛合金的氢渗过程研究[j].稀有金属材料与过程,2017(12):1011.